Исследование выявило различные модели организации мозга у женщин и мужчин

Новое исследование, проведенное исследователями Стэнфордского мединститута (Stanford Medicine), раскрывает новую модель искусственного интеллекта, которая более чем на 90% успешно определяла, были ли снимки мозговой активности сделаны женщиной или мужчиной, сообщает sciencedaily.

Результаты исследования опубликованы 19 февраля 2024 года в Proceedings of the National Academy of Sciences. Они помогают разрешить давний спор о том, существуют ли достоверные половые различия в мозге человека, и предполагают, что понимание этих различий может иметь решающее значение для лечения нервно-психических заболеваний, которые по-разному влияют на женщин и мужчин.

«Ключевой мотивацией для этого исследования является то, что секс играет решающую роль в развитии человеческого мозга, в старении и в проявлении психических и неврологических расстройств», — сказал Винод Менон, доктор философии, профессор психиатрии и поведенческих наук и директор Стэнфордской лаборатории когнитивной и системной неврологии. «Выявление последовательных и воспроизводимых половых различий в мозге здорового взрослого человека является важным шагом на пути к более глубокому пониманию специфических для пола факторов уязвимости при психических и неврологических расстройствах».

Менон является старшим автором исследования. Ведущими авторами являются старший научный сотрудник Шрикант Риали, доктор философии, и научный сотрудник академического персонала Юань Чжан, доктор философии.

«Горячие точки», которые в наибольшей степени помогли модели отличить мужской мозг от женского, включают сеть режимов — мозговую систему, которая помогает нам обрабатывать самореферентную информацию, а также полосатое тело и лимбическую сеть, которые участвуют в обучении и в том, как мы реагируем на вознаграждения.

Исследователи отметили, что эта работа не учитывает, возникают ли различия, связанные с полом, в раннем возрасте или могут быть вызваны гормональными различиями или различными социальными обстоятельствами, с которыми мужчины и женщины могут чаще сталкиваться.

Выявление различий в мозге

Степень, в которой пол человека влияет на то, как организован и функционирует его мозг, долгое время была предметом спора среди ученых. Хотя мы знаем, что половые хромосомы, с которыми мы рождаемся, помогают определить коктейль гормонов, воздействию которых подвергается наш мозг — особенно в период раннего развития, полового созревания и старения, — исследователи долгое время пытались связать пол с конкретными различиями в человеческом мозге. Структуры мозга, как правило, выглядят почти одинаково у мужчин и женщин, и предыдущие исследования, изучавшие, как области мозга работают вместе, также в значительной степени не смогли выявить согласованные показатели пола мозга.

В своем текущем исследовании Менон и его команда воспользовались последними достижениями в области искусственного интеллекта, а также доступом к нескольким большим наборам данных, чтобы провести более мощный анализ, чем использовался ранее. Во-первых, они создали модель глубокой нейронной сети, которая учится классифицировать данные визуализации мозга: когда исследователи показали модели снимки мозга и сказали ей, что она смотрит на мужской или женский мозг, модель начала «замечать», какие тонкие закономерности могут помочь ей определить разницу.

Эта модель продемонстрировала превосходную производительность по сравнению с предыдущими исследованиями, отчасти потому, что в ней использовалась глубокая нейронная сеть, которая анализирует динамические МРТ-снимки. Этот подход отражает сложное взаимодействие между различными областями мозга. Когда исследователи протестировали модель примерно на 1500 сканированиях мозга, почти всегда можно было определить, был ли снимок сделан женщиной или мужчиной.

Успех модели говорит о том, что обнаруживаемые половые различия действительно существуют в мозге, но просто раньше они не были надежно зафиксированы. Тот факт, что он так хорошо работал в различных наборах данных, включая сканирование мозга с нескольких сайтов в США и Европе, делает результаты особенно убедительными, поскольку он устраняет многие путаницы, которые могут помешать исследованиям такого рода.

«Это очень убедительное доказательство того, что пол является надежным фактором, определяющим организацию человеческого мозга», — сказал Менон.

Делать прогнозы

До недавнего времени модель, подобная той, которую использовала команда Менона, помогала исследователям распределять мозги по разным группам, но не давала информации о том, как происходит сортировка. Однако сегодня исследователи имеют доступ к инструменту под названием «объяснимый искусственный интеллект», который может анализировать огромные объемы данных, чтобы объяснить, как принимаются решения в рамках модели.

Используя объяснимый искусственный интеллект, Менон и его команда определили мозговые сети, которые были наиболее важны для оценки моделью того, было ли сканирование мозга сделано мужчиной или женщиной. Они обнаружили, что модель чаще всего обращалась к сети режима по умолчанию, полосатому телу и лимбической сети, чтобы совершить звонок.

Затем команда задалась вопросом, могут ли они создать другую модель, которая могла бы предсказать, насколько хорошо участники справятся с определенными когнитивными задачами, основываясь на функциональных особенностях мозга, которые различаются у женщин и мужчин. Они разработали модели когнитивных способностей, зависящие от пола: одна модель эффективно предсказывала когнитивные показатели у мужчин, но не у женщин, а другая — у женщин, но не у мужчин. Полученные данные указывают на то, что функциональные характеристики мозга, различающиеся у разных полов, имеют значительные поведенческие последствия.

«Эти модели сработали действительно хорошо, потому что мы успешно разделили мозговые структуры между полами», — сказал Менон. «Это говорит мне о том, что игнорирование половых различий в организации мозга может привести к тому, что мы упустим ключевые факторы, лежащие в основе нервно-психических расстройств».

В то время как команда применила свою модель глубокой нейронной сети к вопросам о половых различиях, Менон говорит, что модель может быть применена для ответа на вопросы о том, как практически любой аспект взаимодействия мозга может быть связан с любым видом когнитивных способностей или поведения. Он и его команда планируют сделать свою модель общедоступной для использования любым исследователем.

«Наши модели искусственного интеллекта имеют очень широкую применимость», — сказал Менон. «Исследователь мог бы использовать наши модели для поиска различий в мозге, связанных, например, с нарушениями в обучении или различиями в социальном функционировании — аспектов, которые мы стремимся лучше понять, чтобы помочь людям адаптироваться к этим вызовам и преодолевать их».